СОДЕРЖАНИЕ:
- Что такое цемент?
- Химический состав и формула
- Технология изготовления цемента
- Основные характеристики
- Разновидности цемента
- Особенности маркировки цемента
- Применение
- Заключение
До XIX века для строительства зданий и сооружений использовали в основном известняк или глину, но оба материала слабо устойчивы к воде и разрушаются со временем. Формула современного цемента была разработана в первой половине века, когда английский каменщик Джон Аспинд сумел получить искусственный камень, цвет и прочность которого были очень похожи на натуральные камни, добываемые на острове Портленд (отсюда и название «Портландцемент»).
В 1844 году компоненты цемента научились не только смешивать, но и обжигать, что позволило получить крепкое связующее вещество, устойчивое к воде, механическим нагрузкам и прочим неблагоприятным факторам. Сейчас цемент – один из самых популярных строительных материалов, используемый в частном строительстве, в строительстве крупных объектов, в производстве различных бетонных изделий и пр.
Что такое цемент?
Цемент (с латинского caementum – «битый камень») – это вяжущее вещество, используемое для строительства и добываемое искусственным путем. При перемешивании с водой создает жидкую или пластичную массу, которая со временем затвердевает и превращается в искусственный камень: бетон. Используют для приготовления различных бетонных растворов: для кладки, для штукатурки, для заливки фундаментов, для производства бетонных изделий (тротуарной плитки) и пр. Отличительная черта растворов на основе цемента – возможность застывания в условиях высокой влажности, что отличает его от других вяжущих составов: известняка и глины, которые набирают прочность только в условиях относительно сухого воздуха.
Обычный портландцемент представляет собой серую порошкообразную смесь мелкой фракции. При стандартных условиях хранения (в бумажном мешке на сухом складе) портландцемент сохраняет свойства от 3 до 12 месяцев (гарантийный срок хранения – 3-6 месяцев), но при добавлении воды свойства и форма изменяются:
- становится вязким или жидким (зависит от количества добавленной воды);
- получает темно-синий оттенок после застывания (при добавлении песка оттенок светлеет);
- быстро набирает твердость и превращается в искусственный камень (схватывается за первые сутки, полностью твердеет в течение 28 дней).
Помимо прочего, качество вяжущего вещества зависит от условий хранения и срока годности. При контакте с влажной средой или при истечении срока годности в портландцементе образуются комки, которые уже не размешиваются с водой.
Химический состав и формула
Портландцемент состоит из 3-х основных компонентов:
- клинкер;
- гипсовый камень;
- добавки для придания определенных свойств.
Клинкер
Клинкер – это основной компонент, используемый в производстве. Его доля в составе портландцемента – около 80%. Сырье получают из горных пород: известняка и глины в соотношении 3 к 1 (75% известняка и 25% – глины). Для сокращения производственных затрат цементные заводы располагают около крупных залежей указанных пород. В процессе изготовления глину и известняк дробят и плавят при температурах около 1450°С.
Усредненный химический состав клинкера включает:
- кальциевый оксид (СаО) – 67%;
- кремниевый диоксид (SiO2) – 22%;
- алюминиевый окиси (Al2O3) – 5%;
- оксид железа (Fe2O3) – 3%$
- прочие компоненты и добавки – 3%.
Также состав клинкера включает 4 основные фазы:
- Алит. Наиболее значимая фаза, процентное содержание в клинкере составляет от 50-70%. Представляет собой трехкальциевый силикат с модифицированной структурой. Отвечает за реакцию с водой и твердение состава в первые 4 недели (пока бетон набирает проектную прочность).
- Белит. Процентное содержание в клинкере – 15-30%. Представляет собой двухкальциевый силикат с модифицированной структурой. В отличие от алита, медленно вступает в реакцию с водой, поэтому не играет значимой роли в процессе твердения бетона, но важен на более поздних стадиях. Отвечает за крепость после набора проектной прочности (после 28 дней).
- Алюминат. Процентное содержание в клинкере – 5-10%. Это трехкальциевый алюминат с измененным составом и структурой. Быстро реагирует с жидкостью и приводит к скорому схватыванию бетона, поэтому для контроля алюмината используют специальные агенты (обычно – гипсовые добавки).
- Феррит. Процентное содержание в клинкере – 5-15%. Это модифицированный четырехкальциевый алюмоферрит с изменяемой скоростью схватывания (зависит от состава). Чаще всего происходит быстрая реакция с жидкостью в начальный период, после чего скорость реакции замедляется до промежуточного уровня между белитом и алитом.
Гипсовый камень
Процентное содержание в портландцементе составляет около 5%. Регулирует сроки схватывания, не дает бетону быстро твердеть, что упрощает работу с приготовленным раствором. Иногда заменяют на другие компоненты с аналогичными характеристиками.
Добавки
Процентное содержание в портландцементе составляет около 15%. В качестве добавок используют:
- пиритные огарки;
- пески;
- бокситы;
- колошниковую пыль.
Добавки служат для придания определенных свойств: морозостойкость, влагостойкость и пр., и (или) для удешевления цемента.
Технология изготовления цемента
Процесс изготовления цемента включает:
- Разработка месторождений известняка и глины для производства клинкера.
- Добыча сырья и перевозка до цементного завода. Как правило, цементные заводы располагаются недалеко от указанных карьеров, что помогает сократить затраты на производство.
- Подача добытой породы в первичную дробилку. Здесь камень дробится до средней фракции 5-8 см.
- Обработка во вторичной дробилке. Порода дробится на кусочки, диаметром 3-4 см.
- Подача в дозирующую установку, где происходит смешивание глины и известняка.
- Подача в мельницу, где сырье дробится до состояния муки.
- Обжиг при температуре +1450°С и получение оплавленного клинкера.
- Охлаждение клинкера и его передача на склад для дальнейшего хранения или на мельницу для дробления.
- Дозирование готового цемента по упаковкам.
При этом технологический процесс производства немного отличается в зависимости от выбранного способа:
- мокрый;
- сухой;
- комбинированный.
Сухой метод распространен в странах Европы, тогда как в РФ цемент производят мокрым способом. В процессе глину измельчают до фракции около 1 см и вымачивают в болтушках до набора влажности около 70%. Далее глина перемешивается с известняком и перемалывается в мельнице до состояния муки, в результате чего общая влажность состава снижается до 40%. На этом этапе также корректируют состав, по необходимости используя добавки, а далее готовая смесь подвергается обжигу.
При использовании сухого способа все компоненты проводят через сушильную установку, после чего перемалывают в мельнице и корректируют состав, использованием добавок. Далее осуществляют обжиг без вымачивания ингредиентов.
Комбинированный метод похож на мокрый, только после смешивания глины с известняком, смесь обезвоживается до влажности 12-15% и после этого обжигается.
Основные характеристики
Технические характеристики цемента включают:
- Прочность. Указывается в маркировке буквой «М». На рынке распространены портландцементы М400 и М500, где цифра обозначает нагрузку на сжатие в килограммах на сантиметр квадратный, которую выдержит застывший бетон (при условии, что для приготовления использовался только цемент и вода). Прочность устанавливают опытным путем, для чего застывший кубик бетона подвергают давлению на специальных установках.
- Продолжительность схватывания. Определяет количество времени, которое необходимо вяжущему веществу для начала твердения. Делится на три категории: быстротвердеющие, нормальнотвердеющие и медленнотвердеющие. При этом нормальнотвердеющие цементы начинают схватываться через несколько часов после заливки при условии температуры от +10°С. При понижении температуры до +5°С связывающее вещество твердеет за 8-10 часов, а при температуре, близкой к 0° – 15-20 часов. Продолжительность схватывания варьируется с помощью присадок, добавляемых в процессе приготовления бетона (есть присадки для ускорения и для замедления твердения).
- Морозостойкость. Определяет количество циклов замораживания и размораживания, которое может выдержать уже застывший бетон. При этом разрушение бетона наступает из-за впитывания влаги, которая замерзает внутри и, превращаясь в лед, расширяется. Поэтому для повышения морозостойкости важно качественно перемешивать раствор в процессе приготовления, чтобы он был однородным, без включения комков. Также для повышения морозостойкости раствор вибрируют, что уплотняет его и препятствует впитыванию влаги.
- Гигроскопичность. Определяет стойкость готового изделия ко впитыванию влаги. Зависит от наличия пор в бетоне. Для улучшения свойств раствор вибрируют в процессе заливки.
- Плотность. Масса цемента в одном кубическом метре. Среднее значение – 1300 кг/м³, но показатель зависит от давности производства. Чем дольше цемент лежит – тем сильнее он уплотняется, пока не образуется в плотный, не размешиваемый комок.
- Срок годности. Обычно составляет 3-6 месяцев, но сильно зависит от условий хранения. Цемент содержат в сухом накрытом помещении, желательно – на поддонах.
Важно понимать, что прочность, продолжительность схватывания, морозостойкость и гигроскопичность регулируют в процессе приготовления бетонного раствора. Чем больше песка – тем меньше прочность, морозостойкость и влагостойкость. Также на указанные характеристики влияют присадки. Например, пластификаторы снижают количество пор, увеличивают прочность, морозостойкость, влагостойкость.
Разновидности цемента
Цемент отличается по составу и пропорциям компонентов, что сказывается на его свойствах. Различают виды:
- Быстротвердеющий. Включает минеральные добавки, которые ускоряют твердение.
- Сульфатостойкий. Из состава клинкера выводится часть алюминатов, что увеличивает стойкость смеси к сульфатам. Используется для конструкций, подвергающихся агрессивному воздействию.
- Гидрофобный. Включает добавки, повышающие водоустойчивость готового бетона.
- Белый. Характерен светло-серый цвет, обычно используют для отделки.
- Пуццолановый. Не боится воздействия сульфатов, характерна высокая прочность. Подходит для влажной среды.
- Тампонажный. Специальный цемент для герметизации скважин на разработках месторождений нефти и газа. Набирает высокую прочность на начальных этапах.
Особенности маркировки цемента
Согласно ГОСТ 311008-2020, маркировка цемента включает:
- тип вяжущего вещества;
- процентное содержание добавок;
- вид добавок;
- прочность;
- скорость твердения.
Маркировка по типу вяжущего вещества
Маркировка | Обозначение |
ЦЕМ 0 | Портландцемент (ПЦ) без содержания добавок |
ЦЕМ I | ПЦ |
ЦЕМ II | ПЦ с минеральными добавками |
ЦЕМ III | Шлакосодержащий |
ЦЕМ IV | Пуццолановый |
ЦЕМ V | Композиционный |
Процентное содержание добавок
Маркировка | Обозначение |
А | 6-20% |
В | 21-35% |
С | 36-65% |
Вид добавок
Маркировка | Обозначение |
Ш | Доменный шлак |
И | Известняк |
П | Зола |
З | Пуццоланы |
М | Микрокремнезем |
Прочность
Маркировка | Обозначение |
32.5 | Прочность в мегапаскалях, соответствует марке М300 |
42.5 | Соответствует марке М400 |
52.5 | Соответствует марке М500 |
Скорость твердения
Маркировка | Обозначение |
Б | Быстротвердеющие |
Н | Нормальнотвердеющие |
В некоторых случаях на мешках предусмотрена альтернативная маркировка по ГОСТ 10178-85, которая включает:
- название цемента – ПЦ (портландцемент) или ШПЦ (шлакопортландцемент);
- марку прочности – М300-М600;
- содержание добавок – Д0 (без добавок) или Д20 (до 20% добавок).
Применение
Цемент – один из самых распространенных строительных материалов. Он находит применение для следующих целей:
- заливка фундаментов под любые сооружения: небольшие беседки, частные коттеджи, многоквартирные дома и промышленные здания;
- заливка стяжек и перекрытий;
- производство фундаментных блоков и железобетонных конструкций для строительства: плиты, балки, ригели, сваи;
- производство тротуарной плитки и декоративных изделий;
- приготовление кладочного раствора и раствора для штукатурки;
- ремонт бетонных, блочных и кирпичных поверхностей;
- дорожное строительство: создание автомагистралей, велосипедных и пешеходных дорожек и т.д.
Заключение
Современный цемент появился около 200 лет назад и за это время успел выйти в лидеры использования среди строительных материалов. Для приготовления используют смесь известняка и глины, обжигаемые при температурах около +1450°С до состояния клинкера, при этом существует несколько способов изготовления, но они не оказывают принципиального влияния на качество. Цемент различается по видам и сфере применения, но самый популярный – портландцемент марки М400 и М500 (или 32.5 и 42.5 соответственно).
Сфера применения материала не ограничена. Цементный раствор отличает хорошая адгезия к металлу, камню, кирпичу и многим другим поверхностям. При покупке нужно следить за сроком годности, так как у цемента она сильно ограничена. Хранить мешки лучше в закрытом помещении, чтобы избежать намокания от атмосферных осадков.
Материал подготовил: Евгений Викторович Кузнецов